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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/2713

Title: Integrazione di modelli di trasporto biogeochimici nel mar Mediterraneo
Authors: Lazzari, Paolo
Supervisor/Tutor: Crise, Alessandro
Co-supervisor: Stravisi, Franco
Issue Date: 28-Apr-2008
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: The present dissertation describes the work carried out to setup a biogeochemical 3D model for the Mediterranean Sea (OPATM-BFM) and the analysis of the preliminary results and the critical issues emerged. The purposes of this work range from the operational short term forecast to the multi annual climatological simulations. Main part of the work has been spent on the setup of the system basically composed by a passive Tracer Model (OPA Tracer Model) coupled with a biogeochemical flux model (BFM). The work is organized as follows: chapter 1) is an overview of problematics, definitions and phenomology of the Mediterranean sea ecosystem; chapter 2) presents the modeling approach applied to ecosystem; chapter 3) contains details about the specific model assembled for the Mediterranean Ecosystem; chapter 4) describes the operational model devoleped and the first evaluation of the results; chapter 5) presents the analysis of the results of a multi-annual simulation; chapter 6) analyzes the equations governing phytoplankton growth and light acclimation; chapter 7) concludes the work with final remarks and future work. The choices of the domain resolution, the complexity of the ecosystem model and the fact that large part of the packages were not designed for parallel architectures required a significant work for the optimization of the code to obtain results in reasonable time. Currently the implementation of 1 year simulation takes 48 hours in CINECA high performance computer on 32 processors. The offline paradigm adopted has shown to be the right solution to interface the model to the different OGCMs that present peculiar domain discretizations. In particular in the operational short term forecast application the core of the system OPATM-BFM is merged in an automatic pre/operational chain where the general circulation model generating the circulation (INGV MFS-SYS2b) adopts a data assimilation scheme. The result is one of the first examples of biogeochemical predictive model that is pre-operational in Europe. Model validation is based on the qualitative comparison of chlorophyll-a satellite measurements and total chlorophyll-a simulated by the model for the period of April 2007 - November 2007. Results show that the model is in general able to reproduce the west/east chlorophyll gradient but, with respect to climatolgy, there is a general overestimation of the southern areas of western and eastern sub-basin and a general underestimation of the northern areas in particular in the Gulf of Lions deep mixing area. 1 The second implementation proposed is performed on multiannual time scale. In this case the forcing OGCM is an hindcast model. Also in this case model result are compared with SeaWiFs satellite data: the seasonal cycle of chlorophyll is qualitatively reproduced for the western area with a general overestimation in the eastern area during winter. A longitudinal dependent light extinction coefficient is applied to the model to reproduce the longitudinal Deep Chlorophyll Maximum gradient characterizing the Mediterranean Sea. Analyses of vertically integrated primary production show that the model represents the biogeochemical features of the western basin whilst the Eastern basin (modeled) is less oligotrophic than expected. An explanation for this result can be related to the overestimation in the eastern intermediate layer (200 − 600m) of phosphate limiting nutrient concentration. Half of the primary carbon production flows to bacteria as in the upper range of previous estimations. As for chlorophyll surface data, there is a well marked seasonal cycle of vertical integrated phytoplanktonic biomass with a maximum during winter. Dominant functional groups are picophytoplanton and diatoms with an alternating behaviour: during winter the two groups present equal biomass but in summer, model simulates a clear dominance of picophytoplanton. Bacterial biomass is of the same order of magnitude of phytoplantkon biomass and it is in agreement with what observed in previous studies. This modeling system is currently under development in several projects: MERSEA, SESAME, VECTOR and several new projects are going to benefit from this OPATMBFM development. In particular, in both the operational and multi annual configurations OPATM-BFM, has been chosen as pilot application in the framework of FP7 DORII project started in february 2008. In the DORII project, OPATM-BFM will be integrated with real time observing systems (i.e. Slocum Glider system) by a Communication Technology including also data assimilation schemes. In CLECOMED (Impatti dei cambiamenti CLimatici sull’ ECOsistema del Mar MEDiterraneo) project, based on CINECA cornerstone projects, OPTM-BFM will be further optimized to face the high computational demand of multi-annual climatological simulations (SESAME and VECTOR). Moreover, the management of the large amount of data produced by the simulations will be a further issue. —— o —— La presente tesi documenta il lavoro effettuato per implementare un modello biogeochimico 3D (OPATM-BFM) del Mar Mediterraneo e per l’ analisi dei risultati preliminari e delle problematiche osservate. Le finalit`a di questo studio spaziano dalla previsione operazionale a breve termine fino a simulazioni climatologiche su scale di tempo pluriannuali. Gran parte del lavoro `e stata dedicata alla implementazione e configurazione del sistema OPATM-BFM composto da un modello a traccianti passivi (OPA Tracer Model) accoppiato con un modello di flussi biogeochimici (BFM). Il lavoro `e presentato come 2 segue: il capitolo 1) presenta una panoramica delle problematiche e della fenomenologia dell’ecosistema del Mar Mediterraneo; il capitolo 2) presenta l’approccio modellistico applicato all’ecosistema; il capitolo 3) contiene dettagli riguardo al modello assemblato specificatamente per il Mar Mediterraneo; il capitolo 4) descrive l’applicazione operativa del modello e l’analisi dei risultati; il capitolo 5) presenta l’analisi dei risultati per l’applicazione pluri annuale; il capitolo 6) propone uno studio sull’equazioni che regolano la crescita del fitoplancton ed il processo di acclimatazione alla luce; il capitolo 7) conclude il lavoro con commenti finali e prospettive future. La scelta della definizione spaziale e la complessit`a dell’ecosistema simulato e il fatto che larga parte dei moduli del software non erano indirizzati ad architetture parallele ha richiesto un notevole lavoro di ottimizzazione del codice per effettuare le simulazioni in tempi ragionevoli. Ad oggi il modello richiede 48 ore di calcolo per un anno di simulazione sui sistemi ad alte prestazioni del cineca con 32 processori. Il paradigma offline adottato `e risultato essere la giusta soluzione per interfacciare il modello OPATM-BFM a differenti modelli di circolazione generale (OGCM) che presentano specifiche discretizzazioni spaziali. In particolare nell’applicazione operazionale il cuore del sistema OPATM-BFM `e inserito in una catena automatica ove il modello di circolazione generale (INGV MFS-SYS2b) si avvale di uno schema di assimilazione dei dati. E’ importante notare che il risultato di questa tesi rappresenta uno dei primi sistemi di previsione biogeochimica per il Mediterraneo in Europa. La validazione dei risultati del modello `e basata su una comparazione tra le rilevazioni satellitari di clorofilla e la clorofilla totale simulata dal modello per il periodo aprile 2007- novembre 2007. I risultati indicano che il modello `e capace di riprodurre il gradiente di clorofilla ovest/est ma, rispetto alla climatologia della clorofilla, si riscontra una sovrastima delle aree meridionali dei bacini ovest ed est, e una sottostima delle aree settentrionali in particolare nell’area di mixing profondo in corrispondenza del Golfo del Leone. La seconda applicazione del modello `e basata su forzanti a scala tempo pluriannuale. Anche in questo caso i risulati del modello sono comparati con i dati da satellite SeaWiFs: il ciclo stagionale della clorofilla `e ben riprodotto per l’area occidentale nel periodo invernale. Inoltre l’analisi della produzione primaria integrata verticalmente indica che il modello meglio riproduce le condizioni del bacino occidentale mentre il bacino orientale risulta meno oligotrofico di quanto sia noto. Una possibile spiegazione di questo aspetto pu`o essere legata alla sovrastima delle concentrazioni di fosfati negli strati intermedi (200- 600 m) della colonna d’acqua. Il 50% della produzione primaria simulata fluisce nel comparto batterico nella fascia superiore delle misurazioni riportate in precedenti lavori. Come nel caso della clorofillla il modello riproduce il ciclo stagionale della biomassa fitoplanctonica con un massimo durante il periodo invernale. I gruppi funzionali dominanti sono il picofitolancton e le diatomee che mostrano un andamento alterno: durante l’inverno presentano biomasse comparabili mentre in estate il modello prevede una predominanza del picofitoplancton. 3 La biomassa batterica `e dello stesso ordine di grandezza della biomassa fitoplanctonica come riportato in letteratura. Il modello descritto `e sviluppato nell’ambito dei progetti nazionali ed internazionali quali MERSEA IP, SESAME IP e VECTOR, inoltre alcuni progetti futuri si avvarranno del sistema OPATM-BFM. In particolare OPATM-BFM sia nella configurazione operazionale sia in quella pluriannuale `e stato scelto come applicazione pilota nell’ambito del progetto FP7 DORII partito nel febbraio 2008. In DORII, OPATM-BFM sar`a integrato con sistemi di misura in tempo reale (Slocum Glider) tramite una ICT (Information and Communication Technology), includendo anche schemi di assimilazione numerica. Nel progetto CLECOMED (Impatti dei cambiamenti CLimatici sull’ ECOsistema del Mar MEDiterraneo) basato sull’ attivit`a Cornerstone del CINECA, OPATM-BFM sar`a ulteriormente ottimizzato per fronteggiare l’elevata richiesta computazionale di simulazioni pluriannuali (SESAME e VECTOR) inoltre saranno individuate le strategie ottimali per analizzare l’ elevata quantit`a di dati prodotti dalle simulazioni.
PhD cycle: XIX Ciclo
PhD programme: SCIENZE AMB.-AMBIENTE FIS.MARINO COSTIERO
Description: 2006/2007
Keywords: Mediterranean Sea
numerical modeling
biogeochemistry
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: GEO/12 OCEANOGRAFIA E FISICA DELL'ATMOSFERA
NBN: urn:nbn:it:units-7334
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